raquel dantas batista simulação numérica de vigas t em concreto armado reforçadas ao ...

92 Pages·2012·3.48 MB·Portuguese

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE
C ENTRO DE TECNOLOGIA
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL

RAQUEL DANTAS BATISTA

SIMULAÇÃO NUMÉRICA DE VIGAS T EM CONCRETO
ARMADO REFORÇADAS AO CISALHAMENTO COM
COMPÓSITO DE FIBRA DE CARBONO (CFRP)
UTILIZANDO O MODELO CONCRETE DAMAGED
PLASTICITY (CDP).

NATAL-RN
2017
Raquel Dantas Batista

Simulação numérica de vigas T em concreto armado reforçadas ao cisalhamento com
Compósito de Fibra de Carbono (CFRP) utilizando o modelo Concrete Damaged Plasticity
(CDP).

Trabalho de Conclusão de Curso na modalidade
Monografia, submetido ao Departamento de
Engenharia Civil da Universidade Federal do Rio
Grande do Norte como parte dos requisitos
necessários para obtenção do Título de Bacharel em
Engenharia Civil.

Orientador: Prof. Dr. José Neres da Silva Filho
Coorientador: Eng. Pedro Mitzcun Coutinho

Natal-RN
2017
Universidade Federal do Rio Grande do Norte – UFRN
Sistema de Bibliotecas – SISBI
Catalogação da Publicação na Fonte - Biblioteca Central Zila Mamede
Batista, Raquel Dantas.
Simulação numérica de vigas T em concreto armado reforçadas ao
cisalhamento com compósito de fibra de carbono (CFRP) utilizando o
modelo Concrete Damaged Plasticity (CDP) / Raquel Dantas Batista. -
2017.
91 f. : il.

Monografia (graduação) - Universidade Federal do Rio Grande do
Norte, Centro de Tecnologia, Graduação em Engenharia Civil. Natal, RN,
2017.
Orientador: Prof. Dr. José Neres da Silva Filho.
Coorientador: Eng. Pedro Mitzcun Coutinho.

1. Concreto - Monografia. 2. CFRP - Monografia. 3. Fibra de carbono
(Reforço) - Monografia. 4. Cisalhamento - Monografia. 5. Modelagem
numérica - Monografia. I. Silva Filho, José Neres da. II. Coutinho, Pedro
Mitzcun. III. Título.

RN/UF/BCZM CDU 624.012.45
Raquel Dantas Batista

Simulação numérica de vigas T em concreto armado reforçadas ao cisalhamento com
Compósito de Fibra de Carbono (CFRP) utilizando o modelo Concrete Damaged Plasticity
(CDP).

Trabalho de conclusão de curso na modalidade
Monografia, submetido ao Departamento de
Engenharia Civil da Universidade Federal do Rio
Grande do Norte como parte dos requisitos
necessários para obtenção do título de Bacharel em
Engenharia Civil.

Aprovado em 23 de Novembro de 2017:

___________________________________________________
Prof. Dr. José Neres da Silva Filho – Orientador

___________________________________________________
Eng. Pedro Mitzcun Coutinho – Coorientador

___________________________________________________
Profa. Dra. Fernanda Rodrigues Mittelbach

___________________________________________________
Prof. Dr. Rodrigo Barros

Natal-RN
2017
DEDICATÓRIA

"Não há problema que não possa ser solucionado pela paciência.”

Chico Xavier

À minha mãe, Alba.
AGRADECIMENTOS

Agradeço a Deus por estar comigo em todos os momentos.
À minha mãe Alba, por todos os ensinamentos, força e inspiração, por ter mostrado que eu
conseguiria.
Ao meu pai, Ivonaldo e meus irmãos Sarah e Raul, pelo apoio nos momentos mais difíceis.
Ao meu orientador Professor Dr. José Neres da Silva Filho por ter me orientado, inspirado,
ensinado e incentivado, muito obrigada. Agradeço também a escolha do tema, por confiar e
acreditar no potencial deste trabalho.
Ao meu coorientador Pedro Mitzcun Coutinho pelo acompanhamento diário da construção
deste estudo, por todos os ensinamentos de engenharia aprendidos, e também por ter me ajudado
nos momentos difíceis.
Agradeço também à Professora Dra. Selma Hissae Shimura da Nóbrega cuja ajuda foi essencial
na elaboração deste trabalho, muito obrigada.
A Mateus Petrauski por disponibilizar tempo para ajudar com a modelagem e utilização do
software e ao Professor Dr. Gustavo de Souza Verissímo da UFV por possibilitar este contato.
Ao meu amigo Weber Anselmo sem o qual não teria chegado até aqui, agradeço todo o material
de estudo, disponibilidade de ajudar, incentivo e por todos os estudos juntos que realizamos
nesta caminhada.
A Brenda Macena por ter me escutado todas as vezes que precisei e responder com incentivo e
fé.
A Pedro Lima pela determinação de procurar novos discursos de incentivo, por todo carinho,
intenção e preocupação em me ajudar, muito obrigada.
Ao meu amigo Gustavo Figueiredo por escutar todas as dificuldades deste trabalho e sempre
me fazer rir de cada uma delas com seu bom humor.
Ao meu sobrinho Renê Lima, por me mostrar que eu era capaz de elaborar este TCC mesmo
nas mais engraçadas e inusitadas adversidades.
Aos meus familiares, amigos, professores e colegas de trabalho que deram apoio e palavras de
incentivo, obrigada.
RESUMO

Simulação numérica de vigas T em concreto armado reforçadas ao cisalhamento com
Compósito de Fibra de Carbono (CFRP) utilizando o modelo Concrete Damaged Plasticity
(CDP).

A necessidade de reparar e reforçar estruturas de concreto armado é crescente, o avanço de
técnicas construtivas, materiais de construção e métodos computacionais proporcionam
estruturas mais esbeltas e arquiteturas mais ousadas, por muitas vezes, mais susceptíveis a
patologias comprometendo a resistência do elemento. A posterior necessidade de aumento de
capacidade resistente devido mudanças na utilização da edificação também é fator contribuinte
do crescente estudo de técnicas de reforço estrutural. Quanto ao cisalhamento sabe-se que é
esforço de ruptura frágil e possui complexa mensuração devido à influência de diversos
mecanismos e parâmetros. Os materiais denominados CFRP (Compósitos de Fibra de Carbono)
são uma alternativa aos procedimentos convencionais de reforço, tendo como principais
vantagens a fácil execução e elevada resistência. Este trabalho apresenta um estudo analítico de
cisalhamento pelas normas NBR 6118 (2014) e ACI 318 (2011), de reforço ao cisalhamento
com CFRP pelo ACI 440-2R (2008) e numérico pelo método dos elementos finitos (MEF) por
meio do software ABAQUS considerando a não linearidade física. Comparou-se os resultados
analíticos e numéricos com experimentais de Silva Filho (2001) a fim de validar a modelagem
numérica. Foram modeladas quatro vigas de concreto armado sendo três reforçadas com
Compósitos de Fibra de Carbono (CFRP) com duas configurações de ancoragem e
espaçamentos variáveis.

Palavras-chave: CFRP; Concreto; Reforço; Cisalhamento; Modelagem numérica.
ABSTRACT

Title: Numerical simulation of T-beams on reinforced concrete with Carbon Fiber Reinforced
Polymer (CFRP) shear strengthening using Concrete Damaged Plasticity (CDP) model.

The need of repairing and strengthening reinforced concrete structures is increasing,
advancement of building techniques, construction materials and computational methods
provide slenderer structures and bolder architectural designs, often more susceptible to
pathologies that compromise the element's resistance. Subsequent need for increased strength
due changes in use of the building is also a contributing factor of the growing study of structural
reinforcement techniques. As for shear stress it is known as a brittle fracture stress and possesses
complex measurement due to the influence of different mechanisms and parameters. The
materials known as CFRP (carbon fiber polymers) are an alternative to conventional
reinforcement procedures, having as main advantages the easy implementation and elevated
resistance. This work presents an analytical study of shear through NBR 6118 (2014) and ACI
318 (2011) standards, shear strengthening with CFRP following ACI 440-2R (2008) and
numerical finite element method (MEF) through ABAQUS software considering physical
nonlinearity. The analytical and numerical results were compared with experimental data from
Silva Filho (2001) in order to validate the numerical modeling. Models were made for four
reinforced concrete beams, three of those strengthened with CFRP under two settings and
variant spacing.

Key words: CFRP; Concrete; Strengthening; Shear; Numerical modeling.
ÍNDICE GERAL

1. INTRODUÇÃO .................................................................................................................. 18
1.1 CONSIDERAÇÕES INICIAIS ................................................................................................... 18
1.2 JUSTIFICATIVA .................................................................................................................... 19
1.3 OBJETIVO GERAL ................................................................................................................ 20
1.4 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ..................................................................................................... 20
1.5 ESTRUTURA DO TRABALHO ................................................................................................ 21
2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA .................................................................................... 22
2.1 PATOLOGIAS DAS EDIFICAÇÕES .......................................................................................... 22
2.2 CISALHAMENTO EM VIGAS DE CONCRETO ARMADO ............................................................ 24
Generalidades ..................................................................................................... 24
Analogia de treliça .............................................................................................. 26
Ruptura por Cisalhamento .................................................................................. 28
2.3 PRESCRIÇÕES NORMATIVAS PARA DIMENSIONAMENTO À CORTANTE DA ABNT NBR 6118
(2014): PROJETO DE ESTRUTURAS DE CONCRETO ...................................................................... 28
Modelo de Cálculo I ........................................................................................... 30
Modelo de Cálculo II .......................................................................................... 31
2.4 PRESCRIÇÕES NORMATIVAS DE DIMENSIONAMENTO À CORTANTE PELO ACI 318 (2011) ... 32
2.5 REFORÇO COM CFRP ......................................................................................................... 34
Generalidades ..................................................................................................... 34
Reforço ao Cisalhamento.................................................................................... 37
Prescrições Normativas do ACI 440-2R (2008) para dimensionamento de reforço
ao cisalhamento com CFRP .............................................................................................. 38
Prescrições normativas do CEB - fib Bulletin 14 (2001) para dimensionamento
de reforço ao cisalhamento com CFRP ............................................................................. 40
2.6 NÃO LINEARIDADE ............................................................................................................. 41
2.7 CONCRETE DAMAGED PLASTICITY ..................................................................................... 42
3. MODELOS ANALISADOS .............................................................................................. 44
4. MODELAGEM NUMÉRICA .......................................................................................... 48
4.1 CONSIDERAÇÕES INICIAIS ................................................................................................... 48
4.2 ELEMENTOS DE MODELAGEM ............................................................................................. 48
4.3 GEOMETRIA DOS MODELOS ................................................................................................. 49
4.4 CONDIÇÕES DE CONTORNO E CARREGAMENTO ................................................................... 50
4.5 CONTATOS .......................................................................................................................... 51
4.6 MODELO CONSTITUTIVO DO AÇO ....................................................................................... 53
4.7 MODELOS CONSTITUTIVOS PARA O CONCRETO................................................................... 53
Parâmetros de Plasticidade do CDP ................................................................... 54
Comportamento à compressão ........................................................................... 54
4.7.2.1 Modelo Constitutivo da NBR 6118 (2014) ........................................................ 55
4.7.2.2 Modelo Constitutivo do Model Code 2010 (CEB fib-Bulletin 65, 2012) .......... 56
4.7.2.3 Modelo Constitutivo proposto por PETRAUSKI (2016) ................................... 58
Comportamento à tração ..................................................................................... 59
Variáveis de dano ............................................................................................... 62
4.8 MODELO CONSTITUTIVO DO CFRP .................................................................................... 65
4.9 MALHA ............................................................................................................................... 65
5. RESULTADOS E DISCUSSÕES ..................................................................................... 66
5.1 RESULTADOS ANALÍTICOS .................................................................................................. 66
Cisalhamento ...................................................................................................... 66
Reforço com CFRP ............................................................................................. 68
5.2 RESULTADOS NUMÉRICOS .................................................................................................. 70
Calibração dos modelos ...................................................................................... 70
Vigas reforçadas ................................................................................................. 77
6. CONCLUSÃO .................................................................................................................... 87
6.1 SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS ............................................................................ 88
7. REFERÊNCIAS ................................................................................................................. 89